Связь между тепловой нагрузкой, теплообменником и паровой нагрузкой

Насыщенный пар используется для передачи первичного тепла технологической среде в теплообменнике. Термин «теплообменник» здесь применяется ко всем типам оборудования, в котором тепло передаётся от одной среды к другой. Для удобства далее будет использоваться именно такое широкое определение. Хотя основное внимание уделяется кожухотрубным и пластинчатым теплообменникам, stall может быть актуален и для воздухонагревательных батарей, погружных змеевиков в резервуарах, аппаратов с паровой рубашкой и накопительных калориферов.

Применения с регулированием температуры В системах с температурным регулированием температура вторичной среды на входе в теплообменник может меняться со временем. Это означает, что для поддержания постоянной температуры на выходе вторичной стороны количество тепла, подаваемого в теплообменник, тоже должно изменяться. Этого можно добиться с помощью регулирующего клапана на входе первичной стороны теплообменника, как показано на рисунке 13.2.1. Регулирующий клапан используется для изменения расхода и давления пара, чтобы управлять подводом тепла к теплообменнику. Модулируя положение клапана, можно управлять температурой вторичной среды на выходе. Датчик на выходе вторичной стороны контролирует температуру и передаёт сигнал контроллеру. Контроллер сравнивает фактическую температуру с заданной и, исходя из этого, подаёт сигнал приводу для корректировки положения регулирующего клапана.

При постоянной площади нагрева и постоянном коэффициенте теплопередачи скорость передачи тепла от пара к вторичной среде в конкретном теплообменнике определяется средней разностью температур между двумя средами. Чем больше средняя разность температур, тем выше теплопередача, и наоборот. При частичном закрытии регулирующего клапана давление пара и температурная разность уменьшаются. И наоборот, если клапан открывается так, что массовый расход пара и, следовательно, давление в теплообменнике растут, средняя разность температур между двумя средами увеличивается.

Изменение давления пара также немного влияет на количество тепловой энергии, доступной при конденсации, поскольку теплота парообразования при повышении давления фактически уменьшается. Это означает, что скрытое тепло, доступное на каждый килограмм пара, сокращается по мере роста давления. Если требуется точный расчёт расхода пара, это необходимо учитывать.

Пример 13.2.1 Производителю необходимо спроектировать теплообменник, в котором по спецификации пар при 4 бар изб. должен нагревать вторичную воду от 10°C до 60°C. Расход воды должен оставаться постоянным при всех нагрузках и составлять 1.5 л/с. Принимается, что 1 литр воды имеет массу 1 кг, следовательно массовый расход = 1.5 л/с x 1 кг/л = 1.5 кг/с.

Производитель использует для теплообменника коэффициент теплопередачи U, равный 2 500 Вт/м² °C. Удельную теплоёмкость воды примем равной 4.19 кДж/кг °C.

Определить: (A) расчётную тепловую нагрузку.

(B) соответствующий расход пара.

(C) требуемую минимальную площадь нагрева.

Кроме того, если минимальная тепловая нагрузка у заказчика возникает при повышении температуры воды на входе до 30°C, определить:

(D) минимальную тепловую нагрузку.

(E) соответствующее давление пара в теплообменнике.

(F) соответствующий расход пара.

Расчёты: (A) Найдём расчётную тепловую нагрузку по уравнению теплового потока (уравнение 2.6.5): Чтобы рассчитать соответствующий расход пара, сначала необходимо определить температуру пара в режиме минимальной нагрузки. Можно использовать расчётные данные ΔTLM, чтобы точно предсказать температуру пара при любой нагрузке, но для этого потребуются логарифмические расчёты. Однако после того как размер теплообменника

зафиксирован, а расчётные температуры известны, гораздо проще прогнозировать рабочие температуры с помощью того, что можно назвать Temperature Design Constant (TDC) теплообменника.

Метод TDC не требует логарифмических вычислений. Обратите внимание: TDC нельзя использовать в тех применениях, где расход вторичной среды меняется или где регулирование достигается изменением уровня конденсата в паровом пространстве. Примечание: при подборе теплообменника производители обычно используют метод ΔTLM. После подбора, зная площадь нагрева и рабочие температуры при полной нагрузке, можно использовать TDC для точного прогнозирования всех рабочих температур при изменении нагрузки, как показано далее. Рабочие температуры также можно прогнозировать графически с помощью так называемой Stall Chart. Этот метод рассматривается в модулях 13.5, 13.6 и 13.7.

Temperature Design Constant (TDC) Для любого парового теплообменника с постоянным расходом вторичной жидкости TDC можно вычислить по испытательным данным, которые производитель указывает для полной нагрузки. Если этих данных нет, а теплообменник уже находится в эксплуатации, TDC можно определить, наблюдая давление пара, находя температуру пара по таблицам и фиксируя соответствующие температуры вторичной среды на входе и выходе при любой нагрузке.

TDC — это соотношение температур пара и воды на входе и выходе; оно показано в уравнении 13.2.2. Уравнение TDC можно преобразовывать для нахождения любой одной переменной, если известны остальные три. Следующие уравнения выведены из уравнения TDC (уравнение 13.2.2).

Чтобы найти температуру пара при любой нагрузке, используйте уравнение 13.2.3: Чтобы найти температуру вторичной среды на входе при любой нагрузке, используйте уравнение 13.2.4: Чтобы найти температуру вторичной среды на выходе при любой нагрузке, используйте уравнение 13.2.5: Для любого теплообменника с постоянным расходом вторичной стороны можно вычислить рабочую температуру пара для любой комбинации температуры на входе и выходе.

В примере 13.2.1 температура на выходе вторичной стороны остаётся равной 60°C, а минимальная нагрузка возникает при температуре на входе 30°C. Какова температура пара при минимальной нагрузке?

Температура на входе = 30°C

Температура на выходе = 60°C (E) Найдите соответствующие давление пара в теплообменнике и энтальпию при минимальной нагрузке

По таблицам пара:

Температура пара 115.2°C соответствует давлению 0.7 бар изб.

Удельная теплота парообразования при 0.7 бар изб. (hfg) = 2 215 кДж/кг

(F) Найдите расход пара при минимальной нагрузке:

Из пункта (D) минимальная тепловая нагрузка равна 188.5 кВт.

Из пункта (E) значение hfg равно 2 215 кДж/кг. Используя уравнение 2.8.1: